Применение прямоходных механизмов, электроприводов в электролизных установках, электролизерах различных типов. Механизмы для электролизеров.

Электролиз - это расщипление или очищение веществ под воздействием электрического тока. Это окислительно-восстановительный процесс, на одном из электродов - аноде - происходит процесс окисления - он разрушается, а на катоде - процесс восстановления - к нему притягиваются положительные ионы - катионы. При электролизе проходит электролитическая диссоциация - распад электролита (токопроводящего вещества) на положительно и отрицательно заряженные ионы (выделяют несколько степеней диссоциации).При включении тока происходит движение электронов от анода к катоду, при этом раствор электролита может обедняться (если он учавствует в процессе), его нужно постоянно пополнять. Окисляющийся анод может также растворяться в растворе электролита - тогда его частицы приобретают положительный заряд и притягиваются к катоду.

Анод - положительно заряженный электрод - на нем идет окисление
Катод - отрицательно заряженный электрод - на нем идет восстановление
Исходя из принципа, что разноименые заряды притягиваются, вместе с этим идет разделение или очищение вещества.

Материал электродов может быть различным, в зависимости от проиходящего процесса. Масса вещества которое получается при электрохимическом взаимодействии, определяется законами Фарадея и зависит от заряда (произведение силы тока на время протекания тока), также зависит от концентрации электролита от активности материалов, из которых сделаны электроды.  Аноды бывают инертные - нерастворимые, не вступают в реакции и активные - сами участвуют во взаимодействии (применяются гораздо реже).

Для изготовления анодов применяют графит, углеграфитовые материалы, платину и ее сплавы, свинец и его сплавы, окислы некоторых металлов; используются титановые аноды с активным покрытием из смеси окислов рутения и титана, а также платины и её сплавов.

Нерастворимые аноды - это композиции на основе тантала и титана специальные сорта графита, двуокись свинца, магнетит. Для катодов обычно используется сталь.

Для процесса могут быть использованы следующие типы электролитов: водные растворы солей, кислот, оснований; неводные растворы в органических и неорганических растворителях; расплавленные соли; твердые электролиты. Электролиты бывают различной степени концентрации.

В зависимости от целей электролитических реакций, используют различные сочетания типов анодов и катодов: горизонтальные с жидким ртутным катодом, с вертикальными катодами и фильтруюшей диафрагмой, с горизонтальной диафрагмой, с проточным электролитом, с движущимися электродами, с насыпными электродами и т.д. В большинстве процессов стремятся использовать вещества образующиеся и на аноде, и на катоде, однако обычно один из продуктов менее ценен.

Электролиз находит огромное применение в промышленности, также он используется в медицине и народном хозяйстве.

Основные применения электролиза:

• Чистка воды для использования в народном хозяйстве,
• Очистка сточных вод использованных вод с химических производств.

Для получения веществ и металлов без примесей:

• Металлургия, гидрометаллургия - для производства алюминия и многих других металлов - алюминия из расплава оксида алюминия в криолите, электролизом получают магний (из доломита и морской воды), натрий (из каменной соли), литий, бериллий, кальций (из хлорида кальция), щелочные и редкоземельных металлы.
• В химической промышленности электролизом получают такие важные продукты как хлораты и перхлораты, надсерную кислоту и персульфаты, перманганат калия,
• Электролитическое выделение металла - электроэкстракция. Руда или концентрат определенными реагентами переводится в раствор, который после очистки направляют на электролиз. Так получают цинк, медь, кадмий.
• Электролитическое рафинирование. Из металла изготавливают растворимые аноды, примеси, содержащиеся в черновом металле анода выпадают в виде анодного шлама (медь, никель, олово, свинец, серебро, золото), при электролизе, а чистый металл выделяется на катоде.
• В гальванотехники - гальваностегия - получение покрытий но металлах, улучшающие их эксплуатационные или декоративные свойства и гальванопластика - получение точных металлических копий любых предметов;
• Для получения оксидных защитных пленок на металлах (анодирование); также электрохимическая обработка используется для полировки поверхности изделий и окрашивания металлов,
• Существует электрохимическая заточка режущих инструментов, электрополирование, электрофрезирование,
• также электролиз широко применяется в радиотехнике.

Выделяют электролиз водных растворов и расплавленных сред, а также производство самих электрохимических источников тока - батарей, гальванических элементов, аккумуляторов работоспособность которых восстанавливается пропусканием тока в направлении, противоположном тому, в котором ток протекал при разрядке.

Основные типы электролизных установок:

• Установки для получения и рафинирования алюминия;
• Электролизные установки ферросправного производства;
• Электролизеры никель-кобальтового производства;
• Установки для электролиза магния;

• Установки электролиза (рафинирования) меди;
• Установки для нанесения гальванических покрытий;
• Электролизные установки получения хлора;

• Электролизеры для обеззараживания воды.
• Электролизеры, производящие водород для атомных станций .. и т.п.

Побочным продуктов многих окислительно-восстановительных реакций является кислород.

При электролизе регулируют силу тока, его частоту и напряжение, даже полярность, эти параметры управляют скоростью и направленностью процессов. Реакция электролиза всегда проводится при постоянном токе, так как здесь очень важно постояноство полюсов. В очень редких случаях, когда полярность не значима используется переменный ток (например, при электролизе газов).

Современные алюминиевые электролизеры по конструкции катодного устройства подразделяют на

• Электролизеры с днищем и без днища,
• С набивной и блочной подиной;
• по способу токоподвода: с односторонней и двусторонней схемой ошиновки;
• по способу улавливания газов: на электролизеры открытого типа, с колокольным газоотсосом и укрытого типа.

К неудовлетворительным свойствам всех существующих конструкций алюминиевых электролизеров следует отнести недостаточно высокий коэффициент использования электроэнергии, непродолжительный срок их службы и недостаточную эффективность улавливания отходящих газов. Дальнейшее совершенствование конструкции электролизеров должно идти по пути увеличения его единичной мощности, механизации и автоматизации всех операций обслуживания, полного улавливания всех отходящих газов с последующей регенерацией их ценных компонентов.

Промышленные электролизные установки имеют множество типов конструкции, основные это мембранные и диафрагменные. Также выделяют сухие, мокрые и проточные электролизные установки. В общем виде установка - это закрытая система, содержащая электроды, помещенные в состав электролита, к которой подводится электрический ток с определенными характеристиками. Электролизные ячейки могут быть объединены в батарею. Существуют также биполярные электролизеры - где каждый электрод, за исключением крайних работает с одной стороны как анод, с другой стороны как катод.

Данное оборудование работает при различном давлении, в зависимости от типа реакции. Для получения некоторых веществ - например, при получении газов требуется регулировка давления или особые условия. Также нужно следить за давлением газов, которые являются побочным продуктом электролитических реакций. Электролизные установки, которые используются для получения водородв и кислорода на электростанциях работают под избыточным давлением до 10 кгс/см2 (1 МПа).
Установки также отличаются своей производительностью.

В некоторых их них используются прямоходные электрические механизмы. Например, они применяются для перемещения электродов, регулирования уровня электролита, перемещения резервуаров, ванн с электролитом и т.п. Один из примеров такой конструкции приведен на чертеже.

Все электролизные установки должны быть заземлены. Для работы большого промышленного электролизера нужен выпрямительный агрегат или преобразовательная подстанция для преобразования переменного тока в постоянный. Стационарное местное освещение в цехах (корпусах, залах) электролиза обычно не требуется. Исключение - основные производственные помещения электролизных установок получения хлора.

 Технологии промышленного электролиза подразделяются на несколько типов:

• PFPB — технология электролиза с использованием обожженных анодов и точечных питателей
• CWPB — электролиз с использованием обожженных анодов и балки продавливания по центру
• SWPB — периферийная обработка электролизеров с обожженными анодами
• VSS — технология Содерберга с верхним токоподводом
• HSS — технология Содерберга с боковым токоподводом

Наибольший объем удельных выбросов из электролизеров приходится на процессы электролиза, в основе которых лежит технология Содерберга. Данная технология получила наибольшее распространение на алюминиевых заводах России и Китая. Объем удельных выбросов из таких электролизерах значительно выше относительно других технологий. Количество выбросов фторуглеродов сокращают в том числе и изучая технологические параметры анодного эффекта, снижение которого также влияет на количество выбросов.

Модели промышленных электролизеров

У углеродных анодов (а графит - это аллотоп углерода) - есть существенный недостаток - при проведении реакции они выбрасывают в атмосферу углекислый газ, тем самым загрязняя ее. В настоящее время особенно актуальна технология инертного анода, сейчас данную технологию тестирует известный производитель алюминия. Суть ее в том, что для используется не вступающий в реакции безуглеродный анод, и как побочный продукт в атмосферу выделяется не углекислый газ, а чистый кислород.

Данная технология существенно повышает экологичность производства, но пока она находится на этапе тестирования.

Несмотря на большое разнообразие электролитов, электродов, электролизеров, имеются общие проблемы технического электролиза. К ним следует отнести перенос зарядов, тепла, массы, распределение электрических полей. Для ускорения процесса переноса целесообразно увеличивать скорости всех потоков и применять принудительную конвекцию. Электродные процессы могут контролироваться путем измерения предельных токов.